加强筋板料的理论分析.doc

3.4 Patran 分析的基本理论3.4.1 Patran 分析的三个基本阶段本文以带加强筋的 S 型弧面板弹簧作为研究对象，以 MSC. PATRAN/NASTRAN 为建模和计算工具，对其整体结构进行有限元分析，得到在各种工况下较为精确的应力及位移情况MSC.Patran 有限元软件在解决静力问题时的三个基本阶段：（1）前处理：读入或创建几何模型，设定材料和单元属性，施加载荷以及边界条件，进行有限元网格的划分Patran 软件能自动地划分大部分有限元网格，但必须提供相应的指令和设置参数前处理过程中，每进行下一步操作前，都必须确保输入数据的正确性2）数值分析：软件自动生成描述单元性能的矩阵，并把这些矩阵组合成表示有限元结构的大型矩阵方程，然后进行求解，得到每个节点上的场量值3）后处理：有限元解和由它得到的数值被列出来或者用图示的形式显示出来Patran 后处理过程中除了列出或显示的变量外，其他操作都是自动的在应力分析中，典型的显示包括动画、等值线、X-Y 曲线图、云纹图等后处理功能3.4.2 Patran 分析的一般流程Patran 建模和分析的一般流程，归纳如图 3-2 所示图 3-2 静力分析流程图3.5 板弹簧静载有限元模拟过程3.5.1 单位制的选择在有限元分析之前，首先要选择一套封闭的单位制，否则无法得到准确的结果，失去应有的意义。

表 3-1 提供了 PATRAN 最常用的两套单位制表 3-1 两套常见的单位制本次分析选择的一套封闭的单位制为“mm，MPa，N ”3.5.2 分析解算器的确定在创建分析模型前，首先要确定分析的类型，再根据所要进行的分析类型选用合适的解算器MSC.PATRAN/NASTRAN 软件提供了多种解算器，如ABAQUS、ANSYS 5、 MSC.Marc、MSC.Nastran、MSC.Dytran 、LS-DYNA3D等MSC.Nastran 解算器是软件默认的解算器，本次模拟过程中也选用该解算器作为计算工具Nastran 的静力分析功能支持全范围的材料模式，包括各向同性材料、正交各向异性材料、各向异性材料和随温度变化的材料等分析类型除了最基本的线性分析、还有非线性分析、塑性、蠕变等3.5.3 有限元模型的建立建立贴近实际的几何模型是进行有限元分析的基础，同时对有限元分析结果的精确性也具有重要的意义为获得较高精度的几何模型，要严格按照尺寸图的规格建立S 型弧面板弹簧板宽为 150.00mm，展开总长为 227.00mm，厚度为 0.70mm，形状如图 3-3 所示a) 原始形状 b) 起筋形状图 3-3 S 型弧面板弹簧基于材料是均匀且各向同性、没有任何缺陷和损坏的假设条件下建立有限元分析模型。

材料表面的划痕或加工痕迹等因素可能导致在分析过程中出现额外的应力，影响分析结果在有限元分析中，网格划分是一个非常重要的环节网格划分的合理性有利于提高模拟结果的准确性和减少计算时间确定划分方法，输入划分网格参数，首先对整个对象进行粗略划分由于 S 弯处是主要的分析部位，在粗划分的基础上进一步细划分有限元模型的创建可以通过网格划分参数的改变而发生改变如果网格尺寸过大，则有可能分析的精度不高导致结果不够精确；如果尺寸过小，则计算时间将会延长，浪费资源因此，细化的网格尺寸适中是确保计算准确又不失资源的前提c 图为经过 Patran 软件划分的整体有限元模型，为了查看该网格划分的质量，通过 Tool 工具栏中 check elems 检查的网格均为六面体网格，由此可判断出网格质量较好，网格划分如图 3-4 所示a) S 弯未细化网格 (b) S 弯细化网格(c)细化网格的有限元整体结构图 3-4 有限元模型3.5.4 材料属性任何实体都是由各种材料构成的，材料是实际结构的承载体，Patran 软件支持多种材料本构关系的定义在静载分析过程中，需要定义材料的弹性模量和泊松比。

这两个参数可由单向拉伸试验测得，如表 3-2 所示 0Cr17Ni7Al 不锈钢主要的性能参数 [56]表 3-2 0Cr17Ni7Al 不锈钢各项材料性能参数为了与建模时的单位制保持一致，与之相对应的弹性模量 ，MPaE510.2泊松比 ，屈服应力 3.0MPas1603.5.5 边界条件与载荷的设置边界条件是对模型的某一部分施加约束，使其保持不变（零位移）或移动给出量的位移（非零位移） 在静态分析工程中需要设置足够的边界条件，以防止模型在任意方向上产生移动或转动，否则，在计算过程中求解器将会中断而使模拟过程过早结束载荷是指直接或间接作用于结构上，使结构内部产生内力（如轴力，弯矩，剪力，扭矩等）和变形（如转角，裂缝等） 只有施加与实际相符的受力情况才能得到正确的分析结果如图 3-3 所示，板料上端面通过四个螺栓孔与汽车轮毂相连接，为了简化模型，在建模时将上部端面的四个螺栓孔补充完整，对应位置进行相应的约束由于固定于轮毂上，所以上部端面在 、 、 三个方向的位移和转动均为零下端曲面与地接触是主要承力端面，因此，将载荷施加在整个曲面3.6 静强度结果及分析3.6.1 未减薄的结果分析在曲面施加 3000N 均布载荷，得到 S 型弧面板弹簧的位移云图和应力云图，如图 3-5 所示：a)应力分布图 b)位移分布图图 3-5 应力与位移云图分布由图 a 可以看出， S 型弧面板弹簧主要承力部位位于与下端面弧连接过渡处，其最大应力值为 169 MPa，此值远远小于屈服强度 1600MPa；由 b 图可知板料边缘部分产生了最大变形为 9.43mm。

上述的变形值和应力值结果均符合实际情况3.6.2 减薄后的结果分析当所有条件不变，只有厚度依次减薄到 0.6mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm时，该结构的静力分布云图如图 3-6、图 3-7、图 3-8、图 3-9 所示a)应力分布图 b)位移分布图图 3-6 厚度为 0.6mm 时应力与位移云图分布a)应力分布图 b)位移分布图图 3-7 厚度为 0.5mm 时应力与位移云图分布a)应力分布图 b)位移分布图图 3-8 厚度为 0.4mm 时应力与位移云图分布a)应力分布图 b)位移分布图图 3-9 厚度为 0.3mm 时应力与位移云图分布对不同厚度情况下的分析，可以看到 S 型弧面板弹簧随着厚度的减薄，应力和位移均呈现增大的趋势，具体变化如图 3-10 所示a)应力变化图b)位移变化图图 3-10 应力和位移的趋势图由图中可以看出：厚度减薄为 0.5 mm 时，最大应力值和位移值的变化不是很明显。

当厚度减薄到 0.3 mm 时，最大应力值和位移值陡然上升，此时，轮胎发生较为明显的变形3.7 本章小结详细介绍了用 MSC.PATRAN 建立起筋 S 型弧面板弹簧有限元模型的步骤，并对主要研究部位进行了细化网格的处理，将理论和实际结合起来，进行静强度分析，求出不同厚度的应力值和变形值整个建模过程经历了创建几何模型、有限元模型，在模型上施加约束和作用力，求解等阶段这几个阶段相互影响、交替进行，期间还要经过反复地修改和调试根据计算结果，分析静强度是否满足要求，并比较厚度依次减薄的变化趋势第 4 章 S 型弧面板弹簧的疲劳寿命分析4.1 引言随着计算机技术的发展，有限元法、可靠性法、优化设计、动态仿真设计等现代设计理论已经在金属结构的疲劳分析方面得到了深入的研究和应用，并取得了令人满意的效果根据有限元获得的应力应变结果进行进一步的疲劳寿命设计方法己经在一些重要的工业领域(如飞行器、汽车、铁路、桥梁、船舶等)开始得到了应用与传统试验相比，基于有限元方法的疲劳计算能够提供结构表面的疲劳寿命分布图，并可以直接判断出疲劳寿命薄弱位置，这样就可以预先避免不合理的寿命分布，从而减小技术创新的风险，降低开发成本，提高设计质量和效率，以追求最大的经济效益。

4.2 有限元软件 MSC.FATIGUE 的介绍许多有限元软件中已经添加了专门的疲劳处理模块，常用的包括 ANSYS-SAFE、 MSC.FATIGUE 以及 FE-Fatigue本文采用较为先进的有限元疲劳分析软件 MSC.FATIGUE 对 S 型弧面板弹簧进行疲劳分析MSC.FATIGUE 是 MSC. PATRAN/NASTRAN 其中的一个子模块，是专业的耐久性疲劳寿命分析软件系统它的通用性很强，可以灵活预测各种疲劳寿命，如全寿命分析、应变寿命分析、振动疲劳分析、多轴疲劳分析等MSC.FATIGUE 需要的几何和有限元结果从 MSC.PATRAN 中可直接获得，载荷工况从 MSC.ADAMS 或物理试验中获得，材料信息从 MSC.FATIGUE 的标准库或 MSC.MVISION 材料数据库中获得MSC.FATIGUE 可以真实的预测产品的疲劳寿命，降低产品重设计的成本，避免过于保守的设计，最大程度满足客户长寿命设计要求，大大缩减了测试成本[55,57]4.3 疲劳寿命分析基础理论4.3.1 疲劳理论金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳疲劳破坏是指结构在承受低于其极限载荷的反复作用下发生破裂的现象。

从微观上看，疲劳裂纹的萌生与发展都与局部微观塑性有关，但从宏观上看，在循环应力水平较低时，弹性变形占主要作用，此时疲劳寿命较长，称为应力疲劳或高周疲劳；在循环应力水平较高时，塑性应变起主导作用，此时疲劳寿命较短，称为应变疲劳或低周疲劳[58,59]4.3.2 全寿命分析法在制造质量良好、正常使用条件的情况下，S 型弧面板弹簧的疲劳属于高周疲劳，因此，本文在运用 MSC.FATIGUE 软件对其进行有限元分析时，采用的是 S-N 总寿命分析法它以零件的应力为基础，采用雨流循环计数法和Palmgren-Miner 线性累积损伤理论(简称为 Miner 理论)进行全寿命分析Miner理论认为损伤与应力循环数成线性关系，当总损伤度 时，材料即发生疲劳破坏全寿命分析过程中可以设置平均应力修正和置信参数等不同的分析参数，还可以指定表面抛光和热处理方法运用全寿命分析方法，通过计算机模拟仿真，从疲劳云图上得到结构的疲劳寿命分布，计算出结构的使用寿命，确定结构的允许使用周期另外还可以为设计人员快速比较不同设计方案、疲劳性能的优劣或改进设计提供较直观、全面的依据4.3.4 疲劳寿命分析步骤疲劳分析一般在有限元分析结束之后进行。

将 MSC.FATIGUE 界面启动，设置疲劳分析方法为 S-N 法，将应力结果的单位改成 MPa在疲劳分析之前要设置三个方面的基本数据输入，包括：（1）材料信息：描述材料和部件的循环疲劳特性，主要包括材料的静力学特性、材料的 S-N 曲线、以及表面处理等，由 MSC.FATIGUE 材料数据库管理器 PFMAT 生成2）载荷信息：指的是构件承受随时间变化的交变载荷，包括对称循环载荷、脉动循环载荷以及随机载荷疲劳载荷对于寿命分析的结果至关重要， MSC.FATIGUE 是通过时间历程数据库管理器 PTIME 生成3）几何信息：是指有限元模型以及应力应变计算结果准确的应力应变结果是保证寿命分析正确的前提MSC.FATIGUE 具体分析过程如图 4-1 所示：图 4-1 疲劳寿命分析流程图4.4 疲劳寿命分析参数的设置4.4.1 循环载荷在进行静强度分析时，所受载荷为常数在实际的工作中，S 型弧面板弹簧所受的载荷具有随机性，但从统计学的角度来看，依然具有某。